高墩大跨矮塔斜拉桥结构体系及静力性能研究

浙江工业大学学报

JOURNAL OF ZHEJIANG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Vol. 48 No. 1 Feb. 2020

高墩大跨矮塔斜拉桥结构体系及静力性能研究

张新军，杨强

(浙江工业大学建筑工程学院，浙江杭州310023)

摘要：为研究高墩大跨矮塔斜拉桥的结构静力性能及其合理结构体系，以一座主跨265 m的高墩 大跨矮塔斜拉桥洪溪大桥为工程背景，参照国内外矮塔斜拉桥的设计参数，通过改变主梁高度、边 主跨比、塔根无索区长度、跨中和边跨端部无索区长度、桥塔高度、桥塔刚度、桥塔结构形式、斜拉索 布置形式和桥墩刚度等结构设计参数，分析各个设计参数对高墩大跨矮塔斜拉桥的主梁内力和位 移、塔的内力和位移以及斜拉索索力等结构静力性能的影响，并探讨各自的合理取值范围，为高墩 大跨矮塔斜拉桥设计提供参考。

关键词：高墩大跨矮塔斜拉桥；结构体系；静力性能；设计参数中图分类号：U448. 27

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2020)01-0112-07

Study on structural system and static performance of long-span

high-pier extradosed cable-stayed bridges

ZHANG Xinjun, YANG Qiang

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

Abstract ： To investigate the structural static performance of long-span high-pier extradosed cable- stayed bridges and their favorable structural system, Hongxi bridge with a main span of 265 meters is taken as engineering example. Through changing the design parameters including the girder depth, the side to main span ratio, the girder length of non cable-stayed segments near the towers, the girder length of non cable-stayed segments at midspan and bridge ends, the height, stiffness, and structural of the tower, the cable arrangement, and the pier stiffness, the effects of these design parameters on the displacement and internal forces of the girder and towers and the cable tension are evaluated. Their reasonable values are also discussed, which provides reference for the design of long-span high-pier extradosed cable-stayed bridges.

Keywords： long-span high-pier extradosed cable-stayed bridge； structural system； static performance；

design parameter

矮塔斜拉桥亦称部分斜拉桥，是介于连续梁（刚 构）与斜拉桥之间的一种桥型，具有刚柔并济、外观 独特和结构灵活等特点D_2]。矮塔斜拉桥总体上具 有塔高较矮、主梁较刚和拉索相对集中的特点，主梁 承担大部分荷载，拉索仅起辅助作用，兼具斜拉桥的 柔性和连续梁桥的刚性，结构性能介于两者之间，填

收稿日期：2018-11-21

基金项目：浙江省自然科学基金资助项目（LY18E080034)

补了梁式桥和斜拉桥之间的跨径空白，为桥梁结构 的发展提供了更广阔的空间。矮塔斜拉桥凭借其独 特的结构形式和良好的受力特性，近些年在国内外 得到迅速发展。

矮塔斜拉桥为高次超静定结构，整体结构受力 状态主要取决于主梁刚度、斜拉索布置长度、桥塔高

作者简介：张新军（1971 —），男，浙江东阳人，教授，主要从事桥梁抗风研究，E-mail: xjzhang@zjut.edu.cn。

第1期

张新军，等：高墩大跨矮塔斜拉桥结构体系及静力性能研究

• 113 •

度和刚度及结构形式、边主跨比等结构参数。众多 学者结合国内矮塔斜拉桥工程开展了结构受力性能 及设计参数影响分析，揭示了矮塔斜拉桥的结构力 学特点及其合理的设计参数取值L31°]。当前，国内 最大跨度的预应力混凝土矮塔斜拉桥为2014年建 成的长山大桥，跨径为260 m,此外相关资料统计表 明我国已建成的矮塔斜拉桥桥墩高度普遍低于100 m[2]。本研究的工程背景洪溪特大桥是一座主跨 265 m预应力混凝土矮塔斜拉桥，该桥位于深切峡 谷，桥墩高达142 m，桥面距离地面最大高差达250 m，是一座典型的高墩大跨矮塔斜拉桥。目前，国内 外对高桥墩大跨矮塔斜拉桥的结构静力性能研究比 较匮乏，特别是合理的结构体系方面。为此，结合洪 溪大桥，采用MIDAS/Civil有限元分析软件，分析 主梁高度、边主跨比、塔根无索区长度、跨中无索区 长度（边跨无所区长度）、桥塔高度、桥塔刚度、桥塔 形式、斜拉索布置形式和桥墩刚度等主要结构设计 参数对高墩大跨矮塔斜拉桥结构静力性能的影响， 探讨其经济合理的结构形式，为高墩大跨矮塔斜拉 桥的设计提供参考。

1桥梁简介

如图1所示为主跨265 m预应力混凝土矮塔斜

拉桥方案，左右幅分离布设，桥跨布置为150 m + 265 m+150 m，采用墩、梁、塔固结的结构体系，在 桥台处设置纵向活动支座。主梁采用单箱双室变 梁高预应力混凝土箱梁，梁宽15. 25 m,中心梁高 为4. 5〜9. 2m，梁底曲线为1.6次抛物线。索塔 采用双柱型混凝土塔，高约172 m，其中桥面以上 塔柱高42 m，下塔柱采用空心薄壁墩，中间部分采 用横桥向Y形薄壁墩过渡到上塔柱。斜拉索采用 双索面半扇形稀索布置方式，在主梁上设置锚固 横梁连接主梁和斜拉索，全桥梁共设置对斜拉 索。边中跨拉索对称布置，塔根无索区主梁长度 45. 5 m,边跨端部无索区梁长29.2 m,中跨跨中无 索区梁长24 m。

150 m

265 m

150 m

该桥的主要设计标准：设计基准期为i〇o年；工 程安全等级为一级；公路等级为高速公路，双向4车 道；设计车速为80 km/h;桥梁设计荷载为公路-I 级；地震烈度为设计基本地震加速度为0. 05 g，设防 烈度VI度。

2结构三维有限元模型

采用MIDAS/Civil有限元分析软件建立如图2

所示的三维有限元分析模型，全桥共划分为549个 单元，432个节点，其中主梁和索塔采用空间梁单元 模拟，斜拉索采用桁架单元进行模拟。桥面主梁采 用鱼骨式计算模型，主梁的刚度和质量集中在中间 梁单元上，中间梁单元与两侧斜拉索采用刚臂单元 连接。结构的约束信息：桥塔底部与承台顶面嵌固， 即桥塔底部6个方向自由度均约束；两侧桥台处主 梁沿桥纵向、绕竖轴和横轴转动均自由，其他自由度 约束；塔梁结合处固结，采用刚域处理。

图2结构三维有限元模型

Fig. 2 Structural 3D finite element model

3高墩大跨矮塔斜拉桥结构静力特性 分析

基于上述计算模型，首先采用MIDAS/Civil的

“未知荷载系数”功能并控制各跨跨中竖向位移和塔 顶水平位移为±0.01 m,计算各斜拉索的初始索 力；其次.通过索力调整功能得到优化后的索力值； 最后，通过结构在自重、二期恒载和优化索力共同作 用下的几何非线性静力分析获得斜拉索最终的索力 值及成桥状态结构的几何和内力状态，以此作为结 构在运营状态荷载作用的基准态。

在计算的成桥状态上，考虑汽车荷载、汽车制动 力、温度作用（体系升温或降温、非线性温度梯度）、 主梁和桥塔的纵桥向和横桥向静阵风荷载等作用， 进行结构几何非线性静力分析并进行最不利荷载效 应组合，得到如表1所示的结构主要位移和内力的 最大值，相应的结构位移和内力包络图如图3所示。 分析时，汽车荷载按公路I级3车道加载，并考虑汽

• 114 •浙江工业大学学报第48卷

车荷载横向折减和冲击效应影响；温度作用按体系 升温25 °C和降温一 25. 5 °C考虑，同时考虑非线性

表1

温度梯度作用；考虑与汽车荷载组合，静阵风荷载计算时取桥面高度处的基准风速为25 m/S[11]。

结构主要位移和内力值

Table 1

项目位移或内力

主梁最大 挠度/cm

Main structural displacements and internal forces

中跨跨中弯矩AkN • m)

墩顶主梁 弯矩AkN • m)

桥墩最大 弯矩AkN • m)

斜拉索最大 索力/kN

塔顶水平 位移/cm

— 6.82.388 803-814 124136 6174 946

(a}斜拉索索力(b>主梁位移

图3结构位移和内力包络图

Fig. 3 I'he envelope diagrams of structural displacements and internal forces

由表i结果可知：主梁恒活载作用下的位移 0.068 m，远小于规范对主梁最大竖向挠度L/500 (0.53 m)的限值，同时桥塔的塔顶位移也很小，说 明该桥具有很好的静力刚度。此外，该桥持久状况 的主梁正截面和斜截面的抗裂性验算、塔墩的角点 应力以及斜拉索的安全系数等均满足规范要求，说 明结构设计方案合理。成桥状态恒载和活载作用 下，塔梁结合处主梁出现了较大的负弯矩，同时承受 最大的轴向压力和剪力，是其受力的关键部位；桥塔 的内力最大值出现在塔底，其次为塔梁结合部，因此 在高墩大跨矮塔斜拉桥设计中应着重关注塔梁结合

部和塔底等截面的细部构造和局部应力分析。

4高墩大跨矮塔斜拉桥结构静力性能 设计参数分析

为探讨高墩大跨矮塔斜拉桥经济合理的结构形

式，以洪溪特大桥为T.程背景，分析研究主梁高度、 边主跨比、塔根无索区长度、跨中无索区长度、桥塔 高度、桥塔刚度、桥塔结构形式、桥墩刚度以及斜拉 索布置形式等主要设计参数对结构静力性能影响及 其合理取值范围。参数分析时，首先根据设计参数

第1期

张新军，等：高墩大跨矮塔斜拉桥结构体系及静力性能研究

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的变化调整结构布置建立对比方案桥并建立其三维 有限元分析模型；其次确定其合理成桥状态；最后考 虑结构自重、索力、二期恒载、汽车荷载、温度作用及 静风荷载的共同作用，在计算得到的合理成桥状态 上进行结构静力几何非线性分析，获得结构的位移 和内力最不利值及其包络图。限于篇幅，下列参数 分析只列表给出桥塔、主梁、桥墩和斜拉索的最不利 的位移和内力值，值得注意的是表中桥墩最大弯矩 一栏，*表示桥墩最大弯矩位置为Y字型墩分叉点 处，未标明表示桥墩最大弯矩位置为墩底。

表2

4. 1主梁高度

矮塔斜拉桥主梁在支点处的梁高一般为主跨跨

径的1/39〜1/32,跨中处梁高为主跨跨径的1/70〜 1/55,规范建议值为1/45〜1/35[12]。设计方案桥支 点处的梁高为跨径的1/28. 8,跨中处梁高为跨径的 1/58. 9,可以看出方案桥支点处的梁高与其他桥梁 相比较略微偏高。在设计方案桥基础上，将主梁跨 中处和支点处的梁高分别调整为4. 5 m与8 m、4 m 与8 m，分析梁高变化对高墩大跨矮塔斜拉桥结构 静力特性的影响，结果如表2所示。

主梁高度对结构静力性能的影响

Table 2 Effect of girder depth on structural static performance

跨中梁 高/m

支点梁 高/m

主梁最大 挠度/cm

塔顶水平 位移/cm

中跨跨中 弯矩AkN • m)

墩顶主梁 弯矩AkN • m)

桥墩最大弯 矩/(kN • m)

斜拉索最 大索力/kN

4.54. 54.0

9.28. 08. 0

—6. 8

一 7. 5

2. 32. 52. 7

88 80394 61581 277

-814 124-759 272

一722 885

136 617130 506149 729

4 9465 0004 974

-8.0

从表2可以看出：高墩大跨矮塔斜拉桥主梁高 度变化对桥塔和主梁弯矩和挠度影响较显著，但对 斜拉索索力影响很小。在相同跨中梁高情况下，随 着支点梁高的降低，主梁跨中挠度和塔顶水平位移 增大，墩顶主梁弯矩和桥墩最大弯矩分别下降6. 7% 和4. 5%，但主梁跨中弯矩增加6. 5%。在相同支点 梁高情况下，随着跨中梁高的减小，主梁跨中挠度和 塔顶水平位移继续增大，主梁跨中弯矩和墩顶弯矩 分别减小14. 1%和4. 8%，但桥墩最大弯矩增加 14.7%。因此，相对于支点梁高，跨中梁高对高墩大 跨矮塔斜拉桥的结构静力性能影响更显著。总体上 看，主梁梁高变小，矮塔斜拉桥整体刚度减低，主梁 受力减弱.斜拉索作用加强，桥墩受力变大，因此应

表3

结合结构的整体刚度、主梁和桥塔的受力综合确定 主梁跨中和支点梁高的最优组合。4. 2

边主跨比

矮塔斜拉桥边主跨比是一个重要参数，比例太 小会导致边跨支点处出现负拉力，比例太大则边跨 会出现较大的正弯矩，给斜拉索的调索和边跨的配 束带来困难，矮塔斜拉桥的边跨与主跨跨径比值统 计值为〇. 42〜0. 62,规范建议取为0. 5〜0. 76[12]。 在设计方案桥（边主跨比〇. 566)基础上，保持中跨 长度不变，通过改变边跨现浇段长度来调整边跨长 度，取边主跨比分别为〇. 5,0. 6和0. 65建立相应的 对比方案桥，分析边主跨比变化对高墩大跨矮塔斜 拉桥结构静力性能的影响，结果如表3所示。

边主跨比对结构静力性能的影响

Table 3 Effect of the side to main span ratio on structural static performance

主梁最大挠度/cm

边主跨比

边跨

中跨

塔顶水平 位移/ cm

边跨四分点

中跨跨中

主梁墩顶

桥墩最大

斜拉索最 大索力/kN

弯矩AkN • m)弯矩AkN • m)弯矩AkN • m)弯矩AkN • m)

0. 5000. 5660. 6000. 650

-1.8_ 2. 9—3. 9— 5.0

—6. 5_6. 8-7.0-7. 1

1.92.32.52.7

26 51871 888143 570274 852

105 61588 80365 72531 337

-875 750-814 124-831 553-0 247

167 021136 617245 205385 353

4 82 9465 1045 322

从表3可以看出：高墩大跨矮塔斜拉桥边主跨 比对结构的刚度、边跨和中跨的主梁以及桥塔的受 力有着显著的影响。随着边主跨比的增大，边中跨 的主梁挠度和桥塔的水平位移均明显增大，尤其是 边跨挠度增幅达178%，说明结构的整体刚度减小； 主梁的边跨弯矩和桥塔弯矩成倍增加（增幅分别达 936%和131 %)，斜拉索索力也显著增大（增幅达 10. 3%),主梁墩顶弯矩略有所增大.但其跨中弯矩

却显著减小，减幅达70%。因此，边跨长度增加会 明显增大边跨和桥塔的受力，并严重削弱结构刚度。 从总体上看，设计方案桥的边主跨比较为合理。因 此从结构静力性能考虑，高墩大跨矮塔斜拉桥宜采 用短边跨，边中跨比为〇. 5〜0. 6比较适宜，尤其在 0.55附近。

4.3塔根无索区长度

如图4所示，设计方案桥边跨端部无索区长度

.116 •浙江工业大学学报第48卷

L2 = 29.2 m，塔根无索区长度Ll = 45.5 m，中跨跨 中无索区长度L3 = 24m。塔根无索区长度与主跨 的比值一般为1/9〜1/4. 5,规范建议值为0. 15〜 0.2[12]。在设计方案桥基础上，保持边跨端部无索 区L2、中跨跨中无索区L3、塔高及斜拉索在主梁上 的布置间距与倾角不变，通过改变塔根处的斜拉索 根数来改变塔根无索区长度L1，建立了塔根无索区 长度U

分别为40. 5 m和50. 5 m的两座对比方案

桥（单侧塔柱锚固的斜拉索数量分别为17对和15 对），其与主跨跨径比值分别为〇. 15和0. 19,塔根 无索区长度对高墩大跨矮塔斜拉桥结构性能的影响

表4

如表4所示。

L2

L\\

L\\

Li

L\\

L\\

L2

图4无索区长度示意图

Fig. 4 The schematic diagram of non cable-stayed girderlength

塔根无索区长度对结构静力性能的影响

Table 4 Effect of the non cable-stayed girder length near the towers on structural static performance

Ll/m40. 545. 550. 5

L1/L0. 150. 170. 19

主梁最大 挠度/cm

—6. 8—6. 8_6. 8

塔顶水平位移/cm

2. 32.32. 3

中跨跨中 弯矩AkN • m)

87 59288 80390 852

墩顶主梁 弯矩AkN • m)

-691 135— 814 124

桥墩最大 弯矩AkN • m)

145 105136 617125 769

斜拉索最大 索力/kN

4 9034 94 999

一 941 090

从表4可以看到：塔根无索区长度对结构位移 基本没有影响.但对主梁和桥塔的受力影响显著。 随着塔根无索区长度的增加，索力逐渐增加，但是增 幅很小，越靠近塔根索力增幅越大；由于斜拉索承担 的塔根主梁自重比例降低，主梁承受的弯矩增大，墩 顶主梁弯矩增大36%，跨中处增幅则较小，约为 3. 7%;桥墩承受弯矩则减小，减幅达13. 3%。总体 上看，塔根无索区长度对墩顶主梁最大负弯矩影响 明显，采用较小的塔根无索区长度对结构受力比较 有利。

4.4中跨跨中无索区（边跨端部无索区）长度

矮塔斜拉桥主跨跨中无索区长度L3 —般为主

表5

跨长度的1/9〜1/4. 5,边跨端部的无索区长度L2 一般为边跨长度的1/4. 3〜1/3,规范建议取值分别 为中跨和边跨跨径的20%〜35%[12\\在设计方案 桥基础上，保持塔根无索区长度L1、塔高及斜拉索 在主梁上的布置间距与倾角不变.通过改变斜拉索 根数来改变边跨端部无索区长度L2和中跨跨中无 索区长度L3,建立了两座对比方案桥，其边跨无索 区长度L2分别为44. 2 m和49. 2 m,相应的跨中无 索区长度L3分别为54 m和 m，单侧塔柱锚同的 斜拉索数量分别为13对和12对，中跨跨中无索区 长度对高墩大跨矮塔斜拉桥结构静力性能的影响如 表5所示。

中跨跨中无索区长度对结构静力性能的影响

Table 5

中跨跨中 无索区长 度 L3/m

2454

0. 090. 200. 24L3/L

Effect of the non cable-stayed girder length at midspan on structural static performance

边跨边部 无索区长 度 L2/m

29. 244. 249. 2

0. 200. 290. 32L2/L

主梁最大 塔顶水平 烧度/cm

—6. 8-7.4-7. 6

中跨跨中弯 矩 AkN • m)

88 803275 914337 722

墩顶主梁弯 矩/(kN • m)

-814 124— 922 636—1 001 354

桥墩最大弯 斜拉索最大 矩 AkN • m)

136 617247 294294 172

位移/ cm

2. 32. 62. 7

索力/kN

4 9466 2066 882

从表5可以看出：中跨跨中无索区（边跨端部无 索区）长度的变化对结构位移、主梁、桥塔和斜拉索 索力的影响非常明显。随着中跨跨中无索区（边跨 端部无索区）长度增加，由于斜拉索数量的减小，导 致斜拉索索力增幅较大，最大索力增加49%;中跨 跨中位移增大11%，塔顶水平位移增大17%;中跨

跨中弯矩增加280%，墩顶主梁弯矩增加23%;桥墩 最大弯矩增加115%。与前述塔根无索区长度因素 相比，中跨跨中无索区（边跨端部无索区）长度对高 墩大跨矮塔斜拉桥结构性能的影响更加显著，采用 越小的中跨跨中和边跨端部无索区长度对结构整体 受力越有利。

第1期张新军，等：高墩大跨矮塔斜拉桥结构体系及静力性能研究• 117 •

4.5桥塔高度

如图5所示，此处的桥塔高度主要指桥面以上部 分的高度，其与主跨跨径的比值一般为1/13〜1/8. 5, 规范建议取值为1/12〜1/8[12]。为研究高墩大跨矮塔 斜拉桥塔高变化对结构静力性能的影响，在保持桥跨 跨径布置、主梁和斜拉索布置不变的前提下，改变塔柱 无索区高度h从而改变桥塔高度，建立塔高分别为66, 33,26 m三座对比方案桥，计算结果如表6所示。

表6

桥塔高度对结构静力性能的影响

图5

塔高示意图

Fig. 5 The schematic diagram of tower height

Table 6 Effect of the tower height on structural static performance

塔高

塔高跨比

无索区 高度/i/m

主梁最大 挠度/cm

塔顶水平 位移/cm

中跨跨中弯 矩八1^ • m)

墩顶主梁弯 矩/(kN • m)

桥墩最大弯 矩/(kN • m)

斜拉索最 大索力/kN

H/m66

423326

1/4.01/6.31/8.01/10.24622136_ 5. 7-6.8-7.5-8.22.82. 32. 12.032 98188 803113 584155 075— 348 604-814 124—1 060 288-1 472 299204 008136 617139 124187 387

3 5984 9465 9067 253

从图6可以看出：桥塔高度对高墩大跨矮塔斜拉 桥的结构位移以及主梁、桥塔和斜拉索的受力影响非 常显著。随着桥塔高度降低，斜拉索的竖向支撑减弱， 从而导致索力的显著增加，当塔高从66 m降至26 m， 最大索力增大近1倍;主梁最大挠度增大44%,塔顶水 平位移降低约40%;主梁中跨跨中弯矩增加370%，墩 顶弯矩增加322%;桥墩最大弯矩也成倍增大。总体上 看，矮桥塔对结构受力十分不利，为改善高墩大跨矮塔 斜拉桥的结构静力性能，建议采用较大的塔高跨比。

表7

4.6桥塔刚度

设计方案桥塔柱顶部截面尺寸为9 m(顺桥向）X3.5 m(横桥向），由顶端往下线性地变化至主梁顶 面处7.35 111(顺桥向）\\3.91111(横桥向）。为研究 桥塔刚度对高墩大跨矮塔斜拉桥静力性能的影响， 改变塔柱顶端截面尺寸为6 mX3 m,并由顶端往下 线性地变化至设计方案桥主梁顶面处的塔柱尺寸， 以反映桥塔刚度减小后高墩大跨度矮塔斜拉桥的结 构静力特性，结果如表7所示。

桥塔刚度对结构静力性能的影响

Table 7 Effect of the tower stiffness on structural static performance

塔顶尺寸/m

主梁最大挠度/cm

塔顶水平位移/cm

中跨跨中弯矩/(kN • m)

墩顶主梁弯矩/(kN • m)

桥墩最大弯矩/(kN • m)

斜拉索最大索力/kN

9X3. 56X3.0-6. 8—6. 92.32.488 80391 614

-814 124-830 300136 617134 6194 94 945

从表7可以看出：桥塔刚度减小后，主梁挠度和 塔顶水平位移略微增大，主梁跨中处和墩顶处弯矩 有所增大，增幅分别为3. 2%和2%,桥墩最大弯矩 略微减小，减幅为1.47%。因此，桥塔刚度因素对 高墩大跨矮塔斜拉桥结构静力性能影响不明显，同 时增大桥塔刚度更为有利。4.7桥塔结构形式

此处定义的桥塔结构形式主要是指桥塔的横 桥向结构布置方式。设计方案桥的横桥向塔型为 Y型，主梁以上部分塔柱向外侧倾斜。为研究桥

表8

塔结构形式对高墩大跨矮塔斜拉桥结构静力性能 的影响，将主梁以上塔柱改为H型和倒V型布置 方式建立对比方案桥，即桥塔横桥向两侧塔柱分 别为竖直和向内侧倾斜，分析结果见表8。从表8 可以看出：桥塔结构形式对结构位移和斜拉索索 力影响甚微，改为H型和倒V型后，主梁跨中处 和墩顶处弯矩略有增大，桥墩最大弯矩有所减小， 但幅度都非常小。因此•桥塔结构形式改变对高 墩大跨矮塔斜拉桥结构静力性能的影响不大，不 是敏感因素。

桥塔结构形式对结构静力性能的影响

Table 8

桥塔形式

主梁最大 烧度/cm

Effect of the tower structural form on structural static performance

塔顶水平

位移/cm

中跨跨中弯 矩/(kN • m)

墩顶主梁弯 矩八1^ • m)

桥墩最大弯 矩/(kN • m)

斜拉索最 大索力/kN

Y型H型倒V型-6.8—6. 9-6. 82.32.42.388 803 313 611

-814 124-818 672— 819 290

136 617136 933135 322

4 94 9524 936

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4.8桥墩刚度

为研究桥墩刚度对高墩大跨矮塔斜拉桥结构特 性的影响，将设计方案桥的桥墩尺寸缩小为原来的 80%和70%建立对比方案桥，其他部位尺寸不变， 分析结果见表9。从表9可以看出：桥墩尺寸下降 至原来的70%时，即刚度下降后，主梁中跨跨中挠

表9

度增加41%，塔顶水平位移增加39%;主梁跨中处 弯矩增大11. 8%，但墩顶处弯矩增加很小，桥墩最 大弯矩降低61%;斜拉索索力有微小增加，但可忽 略不计。总体上看，桥墩刚度减小，主要影响为降低 高墩大跨矮塔斜拉桥的整体刚度，略微增大主梁的 受力，但可显著降低桥墩的受力程度。

桥墩刚度对结构静力性能的影响

Table 9 Effect of the pier stiffness on structural static performance

桥墩尺寸

主梁最大 烧度/cm

塔顶水平位移/ cm

中跨跨中弯矩AkN • m)

墩顶主梁 弯矩AkN • m)

桥墩最大 弯矩AkN • m)

斜拉索最 大索力/kN

100%80%70%

—6. 8—8. 5—9. 6

2.32.93. 2

88 80394 90599 298

-814 124-813 033-819 290

136 61772 44753 953

4 94 9634 976

4.9斜拉索布置形式

斜拉桥常用的索面布置形式为辐射形、扇形 和竖琴形等，设计方案桥斜拉索采用扇形索面布 置形式。为研究斜拉索索面布置形式对高墩大跨

矮塔斜拉桥结构静力性能影响，通过降低塔根处 无索区高度，保持其他参数不变，将设计方案桥索 面布置改为竖琴形建立对比方案桥，计算结果见表10。

表10斜拉索布置形式对结构静力性能的影响

Table 10 Effect of the cable arrangement on structural static performance

斜拉索布置形式扇形竖琴形

主梁最大烧度/cm

塔顶水平位移/cm

中跨跨中弯矩AkN • m)

墩顶主梁弯矩 AkN • m)

桥墩最大弯矩AkN . m)

斜拉索最大索力/kN

-6. 8-7. 1

2. 32. 3

88 803 313

— 814 124-1 178 460

136 617149 826

4 9465 200

从表i〇可以看出：当斜拉索布置形式改为竖琴 形后，由于斜拉索倾斜角度的减小，斜拉索索力有所 增加.最大索力增加6%。同时，由于斜拉索竖向支 撑减弱，主梁挠度和弯矩均增大，尤其是墩顶主梁负 弯矩增大近45%,桥墩最大弯矩也增大约9. 7%。 因此，斜拉索布置形式从扇形改为竖琴形后，由于斜 拉索倾斜角度减小后其竖向支撑效果弱化，结构整 体刚度下降，斜拉索、主梁和桥塔的受力增加，结构 静力性能恶化。因此.高墩大跨矮塔斜拉桥不适宜 采用竖琴形的索面布置形式，宜采用扇形布置形式。

刚度;减小桥墩刚度；斜拉索宜采用扇形布置形式。 参考文献：

[1] 肖汝诚.桥梁结构体系[M].北京：人民交通出版社，2013.[2] 陈从春.矮塔斜拉桥[M].北京：中国建筑工业出版社，2016.[3] 朱保华，李亚东.矮塔斜拉桥结构参数研究[J].四川建筑，

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[4] 欧阳永金.矮塔斜拉桥结构参数分析[J].钢结构，2006,21(4):

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[5] 王立峰，刘龙，肖子旺.大跨度矮塔斜拉桥结构静动力特性分析

[J].中外公路，2013(3) :118-121.

[6] 王彬.结构参数对矮塔斜拉桥结构受力性能的影响分析[J].石

5结论

以主梁挠度和塔顶水平位移、主梁跨中和墩顶

家庄铁道大学学报（自然科学版），2015,28(4) ..16-20.

[7] 史海涛.矮塔斜拉桥结构体系及参数研究[D].西安：长安大

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洪，2015(8) :230-232.

[9] 黄德春.矮塔斜拉桥设计参数的优化[D].重庆：重庆交通大

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张国泉，孙东利.矮塔斜拉桥刚度参数的影响行为[J].结构工

处弯矩、桥墩最大弯矩和斜拉索最大索力等结构静 力性能为指标，分析研究主梁高度、边主跨比、塔根 无索区长度、跨中无索区长度、桥塔高度、桥塔刚度、 桥塔结构形式、桥墩刚度以及斜拉索布置形式等设 计参数对高墩大跨矮塔斜拉桥结构静力性能的影 响。为了提高其静力性能，高墩大跨矮塔斜拉桥应结 合结构的整体刚度、主梁和桥塔的受力综合确定主梁 跨中和支点梁高的最优组合；宜采用短边跨，边中跨 比在0.55附近；宜采用较小的塔根、中跨跨中和边跨 端部无索区长度；宜采用较大的塔高跨比并增大桥塔

程师，2013,29(1):27-32.

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中华人民共和国交通运输部.公路桥涵设计通用规范：JTG

D60—2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

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中华人民共和国交通运输部•公路斜拉桥设计细则：JTG/T

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(责任编辑：朱小惠）